MDPI JMSE | 数值船海：采用涡识别方法分析船舶操纵运动中的复杂流场

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船舶操纵性能跟船舶的实际营运密切相关，良好的操纵性能可以保证船舶在航行过程中的安全。国际上针对船舶操纵问题提出了很多的标准，负责海事安全的国际海事组织 (International Maritime Organization) 在1993年通过了“船舶操纵性暂行标准”，并于2002年底正式通过了“船舶操纵性标准”决议^[1]，对不同船型的操纵性指标做出了规定和安全性建议。

图1. 航母紧急S弯规避导弹。

(图片来源：百度百科)

船舶的平面运动机构实验 (Planar Motion Mechanism, PMM) 是研究船舶操纵水动力导数的一种重要方法。PMM实验中的船模受力幅值因其难以准确估算而引起了科研人员的重视；此外，船舶在运动过程中出现的大分离流动一直以来也都是业内高度关注的问题。

近期，来自上海交通大学船海计算水动力学研究中心 (Computational Marine Hydrodynamics Lab, CMHL)的万德成教授和他领导的研究团队，在Journal of Marine Science and Engineering 期刊上发表了团队最新研究论文：Investigation of the Flow Field of a Ship in Planar Motion Mechanism Tests by the Vortex Identification Method。论文采用基于开源代码平台openFOAM自主开发的水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU，模拟了标准船型“育鹏”轮的PMM实验，并用4种涡识别方法对比分析了流场中的涡结构，研究了船舶操纵运动过程中的大分离流动。

    ● 万德成教授：长江学者、国家重点研发计划首席科学家。

研究内容

论文模拟了“育鹏”轮的静态斜拖实验和动态纯横荡、纯艏摇实验。其中，静态斜拖实验研究了4°漂角和20°漂角的工况，重点分析大漂角下的船舶流场。动态实验主要研究了周期 (8秒和16秒) 对船体受力及流场的影响。

对比结果表明：船舶受力的计算值和试验值吻合良好。在静态漂移测试中，由于阻力的实验数据存在较大波动，所以阻力的计算值不够准确，但横向力和偏航力矩的误差仍小于6％。在较大的漂角下，兴波的不对称性更加明显 (图2)。在大漂角下，首波峰值 (右舷) 更大。船体两侧的压力差在大漂角下迅速增大，从而造成了横向力和艏摇力矩的迅速增大。在漂角20°时捕捉到了波浪破碎的情况 (图2c)。

(a) Drift angle = 4°

(b) Drift angle = 20°

(c) Bow wave at drift angle = 20°

图2. 不同漂角下自由液面。

在动态试验中，较短的周期会导致较大的侧向力和偏航力矩。在纯艏摇试验中 (图3)，周期16秒时的侧向力仅为16.28N，但是当周期缩短至8秒时，侧向力迅速增加至77.28N。在动态纯横荡和纯艏摇试验中，自由液面的变化呈现出周期性，所以其侧向力和艏摇力矩的变化也是周期性的。动态试验的数值模拟中，侧向力、艏摇力矩的时历曲线和试验中的时历曲线吻合良好，并且其幅值的计算值与试验值的对比误差均在20%以内。

(a1) Lateral force in CASE PY8

(a2) Lateral force in CASE PY16

(b1) Yawing moment in CASE PY8

(b2) Yawing moment in CASE PY16

图3. 动态纯艏摇运动中侧向力和艏摇力矩计算值与实验值的时历曲线 (左列周期8秒，右列周期16秒)。

通过比较4种涡识别方法捕捉的涡结构 (图4)，发现具有阈值不敏感性的OmegaR方法能够捕捉到更多大分离流动中的涡结构。Liutex方法具有唯一性，可以捕捉到更多细小的涡结构。第一代基于vorticity的涡识别方法获得的涡结构完全覆盖了船体，这明显是不合理的。Q准则作为第二代涡识别方法的一种，其对人工阈值非常敏感。总而言之，第三代涡识别方法更适合于捕获大分离流动中的涡结构。

(a) Mag(vorticity) = 10                   (b) Q = 10

        (c) OmegaR = 0.52                 (d) Mag(Liutex) = 10

图4. 不同涡结构方法得到的纯艏摇运动中的涡结构。

目前，对船舶操纵性能的预测主要采用直接法、实验法和数值法。计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 作为一种强大而高效的工具，在船舶操纵性能预测中的应用日益广泛。本文提出了可靠的数值方案，并采用了4种涡识别方法对比分析了流场中的涡结构。未来，将使用分离涡模拟方法 (Detached Eddy Simulation, DES) 求解船体周围的粘性流场，并将其结果与RANS (Reynolds Averaged Navier–Stokes) 方法进行比较。

 //参考文献//

[1] Standards for Ship Maneuverability. International Maritime Organization: London, UK, December 2002.

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阅读英文原文

原文出自JMSE期刊

Ren, Z.; Wang, J.; Wan, D. Investigation of the Flow Field of a Ship in Planar Motion Mechanism Tests by the Vortex Identification Method. J. Mar. Sci. Eng. 2020, 8, 649.

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*翻译作者：Esme Wang

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